鎘脅迫對(duì)鬼針草和狼尾草種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響*

楊云， 王晨驕， 郭嘉航， 官會(huì)林， 李蕾， 唐光美， 黃晶心

(1.云南師范大學(xué) 高原特色中藥材種植土壤質(zhì)量演變退化與修復(fù)云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；2.文山州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，云南 文山 663099)

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦業(yè)開采、污灌和施用劣質(zhì)化肥等工農(nóng)業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致重金屬以各種途徑進(jìn)入土壤中，土壤受重金屬污染現(xiàn)象日趨加重，嚴(yán)重破壞了土壤的生態(tài)系統(tǒng)平衡[1].鎘是最受關(guān)注且污染最為嚴(yán)重的重金屬元素之一，它主要來(lái)源于工廠有毒有害物質(zhì)的不合理排放、交通尾氣排放以及含鎘農(nóng)藥的使用，這些有毒有害物質(zhì)排放到大氣中隨著降雨向外擴(kuò)散，造成土壤鎘污染.土壤中的鎘具有半衰期長(zhǎng)、毒性高、遷移性強(qiáng)和難降解等特點(diǎn)，鎘污染會(huì)造成作物生長(zhǎng)遲緩、生物量小、植物失綠甚至枯死等[2].研究發(fā)現(xiàn)，低殘留的鎘可通過(guò)食物鏈在人體內(nèi)積累，其生物半衰期長(zhǎng)(10～30年)，會(huì)導(dǎo)致腎功能障礙、骨質(zhì)疏松、癌癥和心血管疾病[3-4]等，嚴(yán)重威脅著人類的健康.因此，鎘污染已成為危害生態(tài)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)境問(wèn)題之一[5-6]，對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)研究迫在眉睫.

目前，土壤重金屬污染的生物修復(fù)技術(shù)被公認(rèn)具有修復(fù)效率高、易于操作、二次污染率低及安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn).生物修復(fù)技術(shù)研究的重點(diǎn)是植物修復(fù)技術(shù)，在實(shí)際的修復(fù)中，應(yīng)選用生長(zhǎng)期短、抗病蟲害能力強(qiáng)和地上部分生物量大且易繁殖的超積累植物.有文獻(xiàn)報(bào)道，三葉鬼針草為鎘的超富集植物[7]，能有效吸收土壤的鎘污染物，可修復(fù)鎘污染的礦山土壤[8].張?jiān)葡嫉葘?duì)不同鉛鋅礦區(qū)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，種植1茬鬼針草對(duì)土壤鎘污染的去除率達(dá)到4.3%～62%[9].侯新村等[10]研究發(fā)現(xiàn)，狼尾草在鎘污染嚴(yán)重的土壤中生長(zhǎng)良好，呈現(xiàn)出較強(qiáng)耐受性，單季度的鎘吸收量為0.237 kg·hm-2.余曉華等[11]研究發(fā)現(xiàn)，鎘輕度污染下雜交狼尾草第1茬的Cd含量為0.76 mg·kg-1，輕度和重度污染下第2茬的鎘含量分別為1.13 mg·kg-1和1.19 mg·kg-1.然而，對(duì)鬼針草和狼尾草這兩種土壤鎘污染超積累植物的研究主要集中在發(fā)掘它們的應(yīng)用潛能方面，而對(duì)何種具有更強(qiáng)鎘污染適應(yīng)性和耐受性還研究較少.針對(duì)以上背景，本研究以鬼針草和狼尾草為試驗(yàn)材料，分析重金屬鎘脅迫對(duì)其種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，同時(shí)通過(guò)隸屬函數(shù)對(duì)其進(jìn)行耐受性綜合評(píng)價(jià)，以期為鎘污染土壤的修復(fù)提供參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試鬼針草(BidenspilosaL.)種子采集于云南省昆明市呈貢區(qū)云南師范大學(xué)東區(qū)附近農(nóng)田，狼尾草(Pennisetumalopecuroides(L.))種子采購(gòu)于云南四季春草業(yè)有限責(zé)任公司.種子收集后選取大小均勻且飽滿的優(yōu)勢(shì)種種子，用10%的過(guò)氧化氫消毒15 min，超純水反復(fù)沖洗5次后用超純水浸種48 h，去除劣質(zhì)的種子，余下的種子用濾紙吸干水分，備用.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 種子萌發(fā)試驗(yàn)

設(shè)置3個(gè)Cd2+質(zhì)量濃度(8、40 mg·L-1和200 mg·L-1)梯度，以不加Cd2+為對(duì)照，每個(gè)濃度梯度4個(gè)重復(fù)，將配置好的培養(yǎng)液置于培養(yǎng)皿(直徑9 cm)中，到濾紙吸水飽和為止.隨機(jī)選取20粒種子均勻放入培養(yǎng)皿內(nèi)，置于光照培養(yǎng)箱進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為20 ℃.待種子萌發(fā)后，每天做發(fā)芽記錄，10 d后發(fā)芽完成.培養(yǎng)完成后取出萌發(fā)的種子，用濾紙將其表面水分吸干，用游標(biāo)卡尺測(cè)定種子根長(zhǎng)和芽長(zhǎng).按公式(1)-(6)計(jì)算[12]相關(guān)指標(biāo).

發(fā)芽率(Germination Energy，GE)=10 d正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

(1)

發(fā)芽勢(shì)(Germination Percentage，GP)=發(fā)芽初期4 d已發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

(2)

發(fā)芽指數(shù)(Germination Index，GI)=

ΣGt/Dt(Gt為在t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽試驗(yàn)天數(shù))×100%；

(3)

活力指數(shù)(Vigor Index，VI)=GI×S(GI為發(fā)芽指數(shù)，S為一定時(shí)期內(nèi)根的長(zhǎng)度)×100%；

(4)

根長(zhǎng)抑制率(Ir)=(Cr-Tr)/Cr×100%(Cr為對(duì)照組根長(zhǎng)，Tr為處理組根長(zhǎng))；

(5)

芽長(zhǎng)抑制率(Is)=(Cs-Ts)/Cs×100%(Cs為對(duì)照組芽長(zhǎng)，Ts為處理組芽長(zhǎng)).

(6)

1.2.2 重金屬耐性綜合評(píng)價(jià)

用隸屬函數(shù)法對(duì)兩種試驗(yàn)種子萌發(fā)期耐Cd2+性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).利用公式(7)或(8)分別計(jì)算每種參試植物各項(xiàng)指標(biāo)(包括發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng))在不同質(zhì)量濃度Cd2+下的具體隸屬函數(shù)值X(u)，把每一指標(biāo)下的隸屬函數(shù)值累加求平均值，最后把每種植物各項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)值累加求平均值.平均隸屬函數(shù)值越大，種子在萌發(fā)期耐重金屬離子的耐性越強(qiáng)[13].

X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

(7)

X(u)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin).

(8)

式中，X為某個(gè)植物某一指標(biāo)的測(cè)定值；Xmax和Xmin分別為所有材料中該指標(biāo)的最大值和最小值，當(dāng)植物的測(cè)定指標(biāo)與耐重金屬性負(fù)相關(guān)時(shí)則用式(8).

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2019、SPSS 26和Origin 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd2+濃度對(duì)兩種超富集植物種子發(fā)芽指標(biāo)的影響

Cd2+脅迫對(duì)鬼針草和狼尾草的種子萌發(fā)具有一定的影響.根據(jù)圖1A可知，鬼針草和狼尾草的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)隨著Cd2+濃度的升高呈先升后降的趨勢(shì).在Cd2+濃度為40 mg·L-1時(shí)鬼針草的發(fā)芽率最大，顯著高于對(duì)照(P<0.05)；狼尾草種子的發(fā)芽率在Cd2+濃度為8 mg·L-1時(shí)達(dá)到最大，顯著高于對(duì)照(P<0.05).相同Cd2+處理下鬼針草的發(fā)芽率顯著高于狼尾草(P<0.05).

從圖1B 中可以看出，鬼針草與狼尾草的發(fā)芽勢(shì)差異顯著(P<0.05)，隨著Cd2+濃度的上升鬼針草的發(fā)芽勢(shì)較對(duì)照分別提高25%、125%和108%，狼尾草的發(fā)芽勢(shì)比對(duì)照分別提高80%、160%和-80%；Cd2+濃度 40 mg·L-1時(shí)，兩者的發(fā)芽勢(shì)均達(dá)到最大值，然后隨著濃度升高而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但狼尾草的下降趨勢(shì)更明顯.以上結(jié)果說(shuō)明適當(dāng)?shù)腃d2+處理對(duì)鬼針草和狼尾草的發(fā)芽勢(shì)起到一定的促進(jìn)作用，且狼尾草對(duì)鎘的脅迫耐性較弱.

圖1 鎘脅迫對(duì)鬼針草和狼尾草發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)的影響

2.2 Cd2+脅迫對(duì)兩種超富集植物種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

從表1可知，鬼針草發(fā)芽指數(shù)在Cd2+濃度為8 mg·L-1時(shí)最低，顯著低于其他2個(gè)處理(P<0.05)，但與對(duì)照差異不顯著，而后隨著Cd2+濃度的升高發(fā)芽指數(shù)呈先升后降的趨勢(shì)，但與對(duì)照差異均不顯著；狼尾草3個(gè)處理組的發(fā)芽指數(shù)均顯著低于對(duì)照組(P<0.05)，但3個(gè)處理組間無(wú)顯著差異.隨著Cd2+濃度的增加，鬼針草和狼尾草的種子活力指數(shù)均呈先升后降的趨勢(shì)，Cd2+濃度為40 mg·L-1時(shí)，鬼針草種子活力指數(shù)顯著高于對(duì)照(P<0.05)；Cd2+濃度為8 mg·L-1和40 mg·L-1時(shí)狼尾草種子活力指數(shù)顯著高于對(duì)照(P<0.05)；Cd2+濃度為 40 mg·L-1時(shí)鬼針草和狼尾草的活力指數(shù)均達(dá)到最高，隨后隨著Cd2+濃度的升高種子活力指數(shù)急劇下降.綜合來(lái)看，在鎘脅迫下鬼針草種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均大于狼尾草種子，說(shuō)明鬼針草的耐性更強(qiáng).

表1 不同濃度Cd2+脅迫下鬼針草和狼尾草種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)

2.3 Cd2+脅迫對(duì)鬼針草和狼尾草幼苗根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響

由表2可得，鬼針草和狼尾草的幼苗根長(zhǎng)隨著Cd2+濃度的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，Cd2+濃度為200 mg·L-1時(shí)為最低值；當(dāng)Cd2+濃度為8 mg·L-1時(shí)鬼針草幼苗根長(zhǎng)最大，狼尾草則是Cd2+濃度為40 mg·L-1達(dá)到最大值，且均顯著高于對(duì)照(P<0.05).當(dāng)Cd2+濃度為200 mg·L-1時(shí)，鬼針草和狼尾草幼苗的根長(zhǎng)抑制率最高，分別為90.68%和69.42%，Cd2+濃度為8 mg·L-1時(shí)鬼針草的根長(zhǎng)抑制率為-87.96%，說(shuō)明低濃度的鎘脅迫對(duì)鬼針草的幼苗根長(zhǎng)生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用；而Cd2+濃度為40 mg·L-1時(shí)狼尾草的根長(zhǎng)抑制率為-48.17%，說(shuō)明中濃度鎘脅迫對(duì)狼尾草幼苗根生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用.

表2 不同濃度Cd2+對(duì)鬼針草和狼尾草幼苗根長(zhǎng)的影響

從表3可以看出，隨著Cd2+濃度的增加鬼針草的芽長(zhǎng)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)Cd2+濃度為40 mg·L-1時(shí)鬼針草的芽長(zhǎng)達(dá)到最大值，顯著高于對(duì)照(P<0.05)，然后隨Cd2+濃度增加而降低，說(shuō)明適當(dāng)?shù)腃d2+處理對(duì)鬼針草的芽生長(zhǎng)有促進(jìn)作用；而隨著Cd2+濃度的增加狼尾草的芽長(zhǎng)呈下降的趨勢(shì)，說(shuō)明鎘脅迫對(duì)狼尾草的芽生長(zhǎng)具有抑制作用；狼尾草的芽長(zhǎng)抑制率隨著Cd2+濃度增加而增加，Cd2+濃度為200 mg·L-1時(shí)，達(dá)到最大值，抑制率為88.31%.

表3 不同濃度Cd2+對(duì)鬼針草和狼尾草幼苗芽長(zhǎng)的影響

2.4 隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

采用隸屬函數(shù)綜合分析法，利用鬼針草和狼尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)等6個(gè)指標(biāo)的平均值分別計(jì)算出兩個(gè)品種的隸屬函數(shù)值和綜合評(píng)價(jià)值.從表4中可以看出，兩種超富集植物對(duì)Cd2+的耐受性強(qiáng)弱順序?yàn)楣磲槻?狼尾草.

表4 鬼針草和狼尾草種子萌發(fā)期對(duì)Cd2+的耐性綜合評(píng)價(jià)

3 討論與結(jié)論

在重金屬污染下種子能不能正常發(fā)芽是植物能否生長(zhǎng)的前提，幼苗的長(zhǎng)勢(shì)情況是對(duì)逆境脅迫適應(yīng)的綜合體現(xiàn)[14-15].種子的萌發(fā)指標(biāo)是評(píng)價(jià)種子萌發(fā)能力、出苗整齊度以及種子活力的重要參數(shù)，直接與幼苗的生長(zhǎng)和生物量相關(guān)[16].研究顯示，植物種子在重金屬脅迫下存在著低促和高抑制的現(xiàn)象[17].本研究中，重金屬鎘脅迫下鬼針草和狼尾草的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和活力指數(shù)均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，這與陳麗麗[13]及張珂[18]等的研究結(jié)果一致.

植物種子萌發(fā)初期受重金屬的影響較大，一旦土壤或水體環(huán)境受到污染，將會(huì)在植物體內(nèi)累積，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[19-21].相同Cd2+濃度下，鬼針草的發(fā)芽勢(shì)顯著高于狼尾草(P<0.05)，說(shuō)明鎘脅迫下狼尾草種子萌發(fā)受到的抑制作用更強(qiáng).隨著Cd2+濃度的增加鬼針草和狼尾草的的根長(zhǎng)呈先升后降的趨勢(shì)，Cd2+濃度為8 mg·L-1時(shí)鬼針草的根長(zhǎng)達(dá)到最大，狼尾草的根長(zhǎng)則是Cd2+濃度為40 mg·L-1時(shí)達(dá)到最大值，Cd2+為200 mg·L-1時(shí)，鬼針草和狼尾草幼苗的根生長(zhǎng)受到強(qiáng)烈抑制.隨著Cd2+濃度的增加鬼針草的芽長(zhǎng)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)Cd2+濃度為40 mg·L-1時(shí)鬼針草的芽長(zhǎng)達(dá)到最大值，說(shuō)明適當(dāng)?shù)腃d2+處理對(duì)鬼針草的芽生長(zhǎng)有促進(jìn)作用；而狼尾草的芽長(zhǎng)呈下降的趨勢(shì)，說(shuō)明鎘脅迫對(duì)狼尾草的芽生長(zhǎng)具有抑制作用.這與張珂[18]、李國(guó)良[22]、杜喬娣[23]和張顯強(qiáng)[24]等的研究結(jié)果一致，說(shuō)明幼苗初期的生長(zhǎng)狀況比種子萌發(fā)更能體現(xiàn)鎘毒性的大小.有研究表明，Cd2+一般對(duì)種子的萌發(fā)表現(xiàn)為低促高抑的規(guī)律，重金屬對(duì)植物根的抑制作用大于芽，不同植物之間受毒害的程度不同[25].

用單一指標(biāo)評(píng)判植物對(duì)重金屬的耐性具有片面性，可從多角度、多層面綜合分析植物對(duì)重金屬的耐性，因此，本研究通過(guò)隸屬函數(shù)法既消除了個(gè)別指標(biāo)的影響，又使得不同植物的抗性差異具有了可比性[26].綜合來(lái)看，不同植物對(duì)鎘的耐受性差異較大，鬼針草對(duì)鎘的脅迫的耐受性更強(qiáng)，但本試驗(yàn)僅對(duì)超積累植物的種子萌發(fā)期鎘的耐性進(jìn)行了研究，尚需對(duì)其在重金屬污染土壤上的生長(zhǎng)、生物量和重金屬富集量進(jìn)行深入的比較研究.